Файл: Биоинформатика.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Лечебный факультет

Кафедра фармакологии и биоинформатики


Сравнение первичных аминокислотных последовательностей фермента пероксиредоксин-5(PRDX5) человека и других животных. Поиск 3D-моделей фермента и сравнение 3D-модели PRDX5 человека с непохожим по первичной структуре фермента животным

Выполнила: студентка 2 курса 23 группы специальности «Лечебное дело» Доброноженко Валерия Вячеславовна Проверил: Доц. д.б.н. Васильев П.М.

Волгоград, 2018

Оглавление

Биоинформатика

Биоинформатика (bioinformatics) - быстро развивающаяся отрасль информатики (теории информации), занимающаяся теоретическими вопросами хранения и передачи информации в биологических системах.

Эта наука возникла в 1976-1978 годах, окончательно оформилась в 1980 году со специальным выпуском журнала «NucleicAcidResearch» (NAR).

Цели и задачи биоинформатики

Целью биоинформатики является, как накопление биологических знаний в форме, обеспечивающей их наиболее эффективное использование, так и построение и анализ математических моделей биологических систем и их элементов.

---

Задачи:

• 
  Разработка алгоритмов для анализа биологических данных большого объема:
  
  • 
    Алгоритм поиска генов в геноме;
    

• 
  Анализ и интерпретация различных типов биологических данных таких, как нуклеотидные и аминокислотные последовательности, домены белков, структура белков и т.д.:
  
  • 
    Изучение структуры активного центра белка;
    

• 
  Разработка программного обеспечения для управления и быстрого доступа к биологическим данным:
  
  • 
    Создание банка данных аминокислотных последовательностей. 
    
• 
  Таким образом, основными задачами биоинформатики являются: распознавание белок-кодирующих участков в первичной структуре биополимеров,
  
• 
  сравнительный анализ первичных структур биополимеров,
  
• 
  расшифровка пространственной структуры биополимеров и их комплексов,
  
• 
  пространственное сворачивание белков, моделирование структуры и динамики биомакромолекул,
  
• 
  создание и сопровождение специализированных баз данных.
  

Этапы развития биоинформатики

В 1962 году была придумана концепция "молекулярных часов", в 1965 была секвенирована т-РНК, определена ее вторичная структура, в это же время были созданы базы данных PIR для хранения информации об аминокислотных последовательностях. В 1972 году было придумано клонирование. В 1978 году были разработаны методы секвенирования, была создана база данных пространственных структур белков. В 1980 был выпущен спецвыпуск журнала NAR, посвященный биоинформатике, затем были придуманы некоторые алгоритмы выравнивания последовательностей, о которых речь пойдет дальше. Дальше был придуман метод ПЦР (полимеразная цепная реакция), а в биоинформатике - алгоритмы поиска похожих фрагментов последовательностей в базах данных. В 1987 году оформился GeneBank (коллекция нуклеотидных последовательностей) и т.д. 

Основные направления биоинформатики

В зависимости от исследуемых объектов

1) Биоинформатика последовательностей - этот раздел биоинформатики занимается анализом нуклеотидных и белковых последовательностей;

2) Структурная биоинформатика - занимается анализом пространственных структур, уже определённых экспериментально;

---

3) Компьютерная геномика.

С другой стороны биоинформатику можно условно разделить на несколько направлений в зависимости от типа решаемых задач:

• 
  Применение известных методов анализа для получения новых биологических знаний;
  
• 
  Разработка новых методов анализа биологических данных;
  
• 
  Разработка новых баз данных.
  

Наиболее известной и наиболее эффективной областью применения биоинформатики в настоящее время является анализ геномов, тесно связанный с анализом последовательностей.

Пероксиредоксины

Пероксиредоксины (Prx) – это семейство белков, катализирующих восстановление Н2О2 и алкилгидропероксидов до воды и спирта. Для этого процесса пероксиредоксины используют восстанавливающие эквиваленты, предоставляемые тиоредоксином, тиоредоксинредуктазой (TR) и NADPH


Активность пероксиредоксинов регулируется их фосфорилированием редокс-статусом и степенью олигомеризации. Группа пероксиредоксинов разделена на 3 класса в зависимости от количества остатков цистеина в активном центре фермента:

• 
  типичные 2-Цис пероксиредоксины
  
• 
  атипичные 2-Цис пероксиредоксины
  
• 
  1-Цис пероксиредоксины
  

Пероксиредоксины локализуются почти во всех компартментах эукариотических клеток. Как и каталазы, эти пероксидазы представляют собой важный компонент антиоксидантной системы. Физиологический диапазон концентраций пероксида водорода, с которыми способны справиться пероксиредоксины составляет 1-10 мкM. Превышение этих концентраций вызывает переокисление и инактивацию пероксиредоксинов, что может иметь и защитную функцию. Дело в том, что восстановление пероксиредоксинов требует постоянного расхода NADPH. При окислительном стрессе пероксиредоксины становятся основным субстратом для тиоредоксина, быстро истощая пул NADPH. Переокисленный пероксиредоксин перестает быть субстратом тиоредоксина. Клетка перестает тратить NADPH на борьбу с оксидантом, сохраняя ценный субстрат для восстановления других белков, так в борьбе с пероксидом водорода подключается каталаза, имеющая высокое сродство к пероксиду и использующая одну молекулу Н2О2 для восстановления другой.

---

Пероксиредоксин-5

Пероксиредоксин-5, митохондриальный, (Peroxiredoxin-5, mitochondrial) является белком, который у человека кодируется PRDX5 гене, расположенном на хромосоме 11 q13 . Этот ген кодирует один из шести членов пероксиредоксинов, относящихся к семье антиоксидантных ферментов. Как и другие пять членов, PRDX5 широко выражен в тканях, но отличается большим субклеточным распределением. В клетках человека, было обнаружено, что PRDX5 могут быть локализованы в митохондриях, пероксисомах, в цитозоле и ядре.

В организме пероксиредоксин-5 является тиол-специфической пероксидазой, которая катализирует уменьшение концентрации перекиси водорода и органических гидропероксидов в воде и спиртах, соответственно. Активный участок представляет собой сохраненный редокс - активный цистеин, пероксидатический цистеин(C (P)), который вызывает нуклеофильную атаку на пероксидный субстрат.Этот фермент играет роль в защите клетки против оксидативного стресса путем детоксицирования пероксидов.

Закодированный белок может играть защитную роль антиоксидантов в различных тканях при нормальных условиях и при воспалительных процессах. Этот белок взаимодействует с рецептором 1 пероксисомы. Кристаллическая структура этого белка в восстановленном виде разрешена до разрешения 1,5 Ангстрема. Этот ген использует альтернативные сайты инициации трансляции в кадре для генерации митохондриальных или пероксисомных/цитоплазматических форм. Для этого гена были определены три варианта транскриптов, кодирующих различные изоформы.

Основные программы сравнения аминокислотных и нуклеотидных последовательностей

• 
  ACT (Artemis Comparison Tool) — геномный анализ
  
• 
  Arlequin — анализ популяционно-генетических данных
  
• 
  BioEdit — редактор множественного выравнивания нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
  
• 
  BioNumerics — коммерческий универсальный пакет программ
  
• 
  BLAST — поиск родственных последовательностей в базе данных нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
  
• 
  ClustalW — множественное выравнивание нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
  
• 
  ClustalX — множественное выравнивание нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
  
• 
  FASTA — набор алгоритмов определения схожести нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
  
• 
  JalView — редактор множественного выравнивания нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
  
• 
  Mesquite — программа для сравнительной биологии на языке Java
  
• 
  Muscle — множественное сравнение нуклеотидных и аминокислотных последовательностей. Более быстрая и точная по сравнению с ClustalW
  
• 
  PopGene — анализ генетического разнообразия популяций
  
• 
  Populations — популяционно-генетический анализ
  
• 
  UniProt KB — белковая база данных
  

---

В нашей работе ключевыми программами являлись ClustalX, BLAST, FASTA и интернет-сайт UniprotKB.

Описание работы

Выбрана группа организмов:

Thirteen-lined ground squirrel (Суслик)

Small-eared galago (Галаго)

Guinea pig (Морская свинка)

Beaver (Бобр)

Weddell seal (Тюлень)

American mink (Норка)

Mouse (Мышь)

Rat (Крыса)

Ord's kangaroo rat (Крыса-кенгуру)

Sperm whale (Кашалот)

Sheep (Овца)

Western European hedgehog (Еж)

Goat (Коза)

Giant panda (Большая панда)

Bovine (Бык)

Wild yak (Як)

American chameleon (Хамелеон)

King kobra (Королевская кобра)

Sablefish (Угольная рыба)

1. Поиск в UniProt своего белка для человека и других организмов:

На сайтеUniProtKB(http://www.uniprot.org/uniprot/)набирали в поиске свою мишень (PRDX5), далее из списка выбрали нужные организмы, у которых есть этот белок, из достоверных данных были : мышь, крыса, бык и як.

2. Скачивали FASTA-формат для каждого организма:

3. Попарные сравнения:

- в Clustal:



Загружали FASTA-формат человека и FASTA-формат анализируемого организма. Программа попарно сравнивала две последовательности, выделяя совпадения цветом и символами.



Также программа рассчитала коэффициент схожести двух последовательностей.



- в BLAST

На сайте BLAST(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cg) загружали FASTA-формат человека и FASTA-формат исследуемого животного.



Затем получали таблицу сравнения двух последовательностей:

---